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数控凸轮轴磨床加工过程的仿真软件设计 |
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作者：王红军 韩秋实 许宝杰 涂志 |
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在数控加工过程中为了验证程序的正确性，过去多采用木模或塑料模进行试切加工，此种方法效率低又浪费材料。用数控仿真方法来检验是近几年发展起来的新技术，它具有降低制造成本、缩短设计制造周期、快速直观、省时省力的优点，它使操作者通过图形显示预先检测误差，进行刀具的干涉和碰撞检查。本文主要介绍数控凸轮轴磨床加工过程的仿真软件设计。
1 仿真软件的系统实现
数控凸轮轴加工过程不需进行数控编程，由计算机直接控制，其仿真的关键技术就是用图形动态直观地显示凸轮轮廓的形成过程和机床的加工效率。为了实现数控凸轮轴加工过程的仿真，系统采用了二维图形技术。在功能上主要包括凸轮升程曲线的显示、加工过程中运动曲线的仿真、凸轮轴加工过程仿真、加工精度仿真、砂轮修整仿真和生产效率仿真等部分。系统的框图如图1。
该软件采用TurboC2.0编写，可在DOS5.0以上的486微机上运行。
在凸轮轴加工仿真窗口中，把整个显示屏幕分为3个窗口，主窗口占屏幕左半部，用于显示加工过程，屏幕右侧被分为上下两个窗口，分别显示凸轮加工过程中的动态信息，以帮助操作者了解数控加工所处的状态。如：凸轮轴的转角、砂轮架与凸轮中心的距离、凸轮轴的转速、砂轮架的移动速度、砂轮转速、砂轮直径、磨削余量、当前加工时间、凸轮的极径误差等。
2 系统的菜单结构
数控凸轮轴磨床的仿真系统采用菜单式驱动。主菜单提供了7个选项：凸轮升程曲线显示、运动曲线仿真显示、凸轮轴加工过程仿真、反转法生成凸轮、加工精度仿真、砂轮修整仿真和返回数控系统。
凸轮升程曲线显示及加工运动曲线的仿真
对于数控凸轮轴磨床而言，凸轮的升程表是由用户输入的或保存在系统的数据文件库内，通过调用该模块，系统打开文件库用图形方式显示出凸轮的升程曲线，供用户和操作者观察，以验证升程表的正确与否。
按照凸轮升程表数据文件及其从动件类型，考虑加工过程中的加工余量、修整后砂轮半径的变化、加工时恒线速控制等因素，利用X-C联动坐标的数学模型计算出各种型值点的C轴转动角速度及角加速度、X轴移动的移动速度和移动加速度，采取逐点读取数值逐点绘图的方式显示在计算机屏幕上，并存储在相应的文件内。这样通过观察曲线的平滑性及连续性，对加工过程中可能出现的振动、冲击及出现的时间与部位进行预测，评估机床的动力学特性及冲击的大小，便于设计机床的运动部件。
凸轮加工过程仿真
凸轮加工过程仿真是仿真的重要内容。用户通过该窗口观察凸轮加工的全过程。工作过程如下：前后顶尖将凸轮夹紧，工作台沿Z轴移动对刀，凸轮轴旋转对刀，砂轮快进，凸轮轮廓加工开始。当一个凸轮加工完后，砂轮快退，工作台沿Z轴移动，开始下一个加工循环。在仿真加工过程中，为了便于观察加工时的各个部位，系统可以在凸轮加工时在机床上的轴向位置仿真窗口、生产效率仿真窗口和凸轮轮廓仿真加工窗口三个窗口间进行切换。在图形显示的同动态地显示加工时的各个参数、加工所需的时间，以验证加工时的生产效率是否达到要求。如图2为加工汽车凸轮轴时的凸轮轮廓加工仿真结果。
在图形绘制过程中采用了画—擦的计算机动画技术。凸轮轴、砂轮、顶尖等分别用不同的颜色绘制，使图形清晰、美观。
图2 凸轮磨削加工示意图
加工精度仿真
加工精度是数控凸轮轴磨床的核心指标。在仿真软件系统中设有专门模块进行精度分析。在数控加工过程中，影响凸轮轮廓精度的误差有很多因素，其中主要有数学模型误差和插值误差。为了分析加工后凸轮的轮廓精度，把凸轮的理论轮廓与叠加了计算误差和插值误差的磨削加工后的凸轮轮廓进行比较，并给出一个分析报告。如图3为加工一个汽车用凸轮轴的加工精度仿真。
图3 磨削加工后的凸轮轮廊与理论廊的比较
砂轮修整仿真
数控凸轮轴的砂轮修整包括五个过程：1)砂轮后退；2)工作台沿Z轴移动；3)对刀、砂轮快进、工进、按修整量修整；4)修整时沿Z轴的往复移动；5)修整完毕，恢复原位。通过砂轮修整仿真，可以直观地看到砂轮修整时是否干涉、碰撞，以及修整时所需的时间，为选择砂轮的尺寸、砂轮的修整量提供依据。
为了满足用户的需要，系统设有热键可以进行窗口的快速切换。在仿真加工窗口，用户通过菜单及功能键F1可以在轮廓仿真、生产效率仿真等窗口间进行切换。同时运用画—擦动画技术，以不同的颜色定义砂轮轴、砂轮、砂轮修整器及机床顶尖，使仿真结果直观清晰。
3 结论
数控凸轮轴磨床加工过程仿真系统的开发，能快速、直观地使操作者观察到凸轮加工过程，节约了设计和制造成本，缩短了试制周期，具有较好的经济效益。 (end)
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(11/14/2006) |
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